劉 青，楊華楠，廖雪松，古曉飛，劉俞平，任 明

(重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司， 重慶 402760)

1 引言

活性破片殺傷元具有動(dòng)能穿甲、內(nèi)爆化學(xué)能釋放形成高壓和高溫、穿甲后破碎形成對目標(biāo)內(nèi)部局部面殺傷等多重毀傷效應(yīng)，穿孔面積大、內(nèi)爆毀傷作用強(qiáng)，可造成更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)毀傷，可有效提高單枚破片對目標(biāo)的毀傷效能，大幅度提高戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷威力，適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)作戰(zhàn)條件下對新型目標(biāo)的高效毀傷要求，是提高殺傷類導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷威力的主要途徑之一[1-2]。與傳統(tǒng)惰性破片(如鋼破片或鎢破片)相比，活性破片殺傷元通過增加的化學(xué)能，使作用于目標(biāo)的總能量相比單一的動(dòng)能侵徹破片有了較大幅度的提高，有效提高了破片對目標(biāo)內(nèi)部零部件的毀傷概率以及單枚破片的殺傷后效，從而發(fā)揮了戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的高效毀傷作用。

活性破片通常分為非金屬體系活性破片和金屬體系活性破片，20 世紀(jì)70年代，美國Willis 等人首次提出活性材料的概念，發(fā)現(xiàn)了PTFE/Al組合在高速撞擊條件下可發(fā)生閃光反應(yīng)[3]。隨后活性材料配方由早期的Al /PTFE 單一體系發(fā)展至多活性組元(單質(zhì)金屬、多元合金、氧化物等)，涵蓋了金屬材料、高分子有機(jī)物、陶瓷等多個(gè)材料體系[4]。其中又由于金屬體系活性破片具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，能夠承受爆炸驅(qū)動(dòng)而被廣泛研究，美國研發(fā)的Al-Hf金屬型活性材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了397 MPa[5]。通過對金屬型活性破片的抗拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，來考察金屬活性破片的力學(xué)行為[6-8]；在沖擊釋能行為研究方面，主要以彈道實(shí)驗(yàn)為代表能夠定量地給出活性破片在不同沖擊狀態(tài)下的化學(xué)釋能大小，并結(jié)合沖擊誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)等材料沖擊釋能理論可以推算出材料在沖擊作用下的物理量(如壓強(qiáng)、比容、溫度等)與化學(xué)反應(yīng)程度之間的關(guān)系，進(jìn)而獲取其沖擊釋能化學(xué)反應(yīng)特征參數(shù)[9-11]。但目前對于活性破片釋能機(jī)理的研究較少。因此，本文通過研究不同撞靶速度下活性破片的釋能規(guī)律，為活性破片釋能機(jī)理的研究提供理論支撐，同時(shí)為更好的掌握活性破片的性能，為其在不同平臺(tái)上應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用活性破片為W/Zr系活性破片，密度為8 g/cm3，破片質(zhì)量為8 g，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，試驗(yàn)樣品實(shí)物如圖1所示。

圖1 活性破片實(shí)物圖

3 性破片能量釋放規(guī)律

3.1 測試方法

圖2 為活性破片超壓測試系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)主要由發(fā)射裝置、測速裝置、超壓測試裝置構(gòu)成。其中超壓測試系統(tǒng)為密閉容器，密閉容器直徑為0.3 m，體積為20 L；撞擊面板為3 mm厚的2A12鋁板，內(nèi)部設(shè)置有20 mm厚的45鋼板作為撞擊激發(fā)板；超壓值由裝置內(nèi)壁上的壓力傳感器測得，測壓點(diǎn)有2個(gè)，與激發(fā)板的水平距離分別為80 mm和160 mm； 密閉容器筒體設(shè)置觀察口，可采用高速攝像觀察活性破片撞靶后火光持續(xù)時(shí)間，根據(jù)目前常規(guī)應(yīng)用條件選擇試驗(yàn)測試速度為1 000 m/s、1 100 m/s、1 200 m/s、1 300 m/s，速度采用靶網(wǎng)測速裝置測得。利用活性破片高速撞擊密閉容器反應(yīng)后測量其超壓值，并根據(jù)內(nèi)爆超壓值得出活性破片在該條件下的釋放能量大小，釋放的能量值與該活性破片含能量的比值即為釋能效率。

圖2 活性破片超壓測試系統(tǒng)示意圖

3.2 超壓試驗(yàn)結(jié)果

對該活性破片進(jìn)行了不同速度下的超壓性能測試，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 活性破片超壓高攝照片

圖4 活性破片超壓曲線

圖3為不同撞靶速度下活性破片最大超壓測試高攝照片，從圖中可以看出當(dāng)撞靶速度為1 000 m/s時(shí)，活性破片反應(yīng)形成的高壓氣流較小，隨著撞靶速度的逐漸增加，活性破片反應(yīng)的高壓氣流也逐漸增加。圖4為不同撞靶速度下該活性破片反應(yīng)超壓曲線，通過對超壓曲線進(jìn)行擬合，可得最高點(diǎn)的值為活性破片超壓值。表1列出了不同撞靶速度下的超壓值。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)撞靶速度由1 000 m/s增至1 300 m/s時(shí)，超壓值由0.17 MPa增至0.25 MPa。隨著撞靶速度的增加，該活性破片超壓值也逐漸增加。

表1 活性破片超壓值

3.3 活性破片能量釋放分析

活性破片在高速撞擊目標(biāo)的過程中，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，使目標(biāo)內(nèi)部的壓力上升。忽略能量損失，活性破片在目標(biāo)內(nèi)部形成的內(nèi)爆超壓主要是反應(yīng)生成的熱量加熱周圍空氣，導(dǎo)致空氣膨脹而形成的。

目標(biāo)內(nèi)的壓力變化一般小于幾兆帕，此時(shí)目標(biāo)內(nèi)的空氣可近似視為理想氣體，假設(shè)短時(shí)間內(nèi)目標(biāo)內(nèi)部空氣為等容變化過程[12]，有：

(1)

其中，P、T、P0、T0分別為撞靶前后空氣的壓強(qiáng)、溫度。

忽略反應(yīng)過程中的熱量損失，反應(yīng)材料釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能，使其溫度升高，有：

Q=cVM(T-T0)

(2)

根據(jù)以上的兩式，活性破片在密閉空間內(nèi)的內(nèi)爆超壓和活性破片反應(yīng)熱轉(zhuǎn)換可用以下公式表示：

(3)

其中，Q為活性破片反應(yīng)熱，Δp為活性破片內(nèi)爆超壓，V0為密閉容器的體積，γ為氣體參數(shù)，對于理想氣體可取為1.4。

根據(jù)式(3)可計(jì)算出該活性破片的能量釋放值。撞靶速度為1 000 m/s其釋放的能量約為8.8 kJ，撞靶速度為1 100 m/s其釋放的能量約為10.5 kJ，撞靶速度為1 200 m/s其釋放的能量約為11.5 kJ，撞靶速度為1 300 m/s其釋放的能量約為12.3 kJ。根據(jù)式(4)可計(jì)算出該活性破片的含能量約為2 kJ/g。

(4)

從而可以計(jì)算出該活性破片的能量釋放率，當(dāng)撞靶速度為1 000 m/s釋能效率約為55%，當(dāng)撞靶速度為1 100 m/s釋能效率約為66%，當(dāng)撞靶速度為1 200 m/s釋能效率為72%，當(dāng)撞靶速度為1 300 m/s釋能效率為77%，將其擬合出撞靶速度與能量釋放率的關(guān)系曲線，具體如圖5所示，隨著撞靶速度的增加，活性破片能量釋放率逐漸增加，但是增長的速度逐漸變慢。

圖5 活性破片在不同撞靶速度下的能量釋放率曲線

4 活性破片能量利用規(guī)律

4.1 測試方法

圖6為活性破片威力性能測試裝置，測試裝置由發(fā)射裝置、測速裝置、多層靶裝置構(gòu)成。其中多層靶裝置主要由6 mm鋼板+N×1.5 mm 2A12鋁板構(gòu)成。通過測試活性破片對多層靶毀傷面積的大小來反應(yīng)活性破片能量利用率的問題，此種方法能夠比較直接的反應(yīng)出活性破片釋放的能量與對目標(biāo)的毀傷效果的關(guān)系。

圖6 威力性能測試裝置示意圖

4.2 多層靶試驗(yàn)結(jié)果

圖7為不同速度下該活性破片對多層靶的毀傷效果圖，采用面積處理軟件計(jì)算出不同速度下該活性破片對多層靶的毀傷面積如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)撞靶速度為1 000 m/s時(shí)活性破片威力較小，對鋁板的擴(kuò)孔面積也較小，多層鋁板累計(jì)毀傷面積為1 823 mm2，當(dāng)撞靶速度為1 100 m/s時(shí)，多層鋁板累計(jì)毀傷面積為2 538 mm2，當(dāng)撞靶速度為1 200 m/s時(shí)，多層鋁板累計(jì)毀傷面積為5 568 mm2，當(dāng)撞靶速度增加到1 300 m/s時(shí)，多層鋁板的累計(jì)毀傷面積增加到8 032 mm2，由此可以看出隨著撞靶速度的增加，活性破片對鋁板的擴(kuò)孔面積也逐漸增加。在同等條件下對同質(zhì)量鋼破片進(jìn)行試驗(yàn)，鋼破片對多層鋁板的累計(jì)毀傷面積如表3所示。 從試驗(yàn)結(jié)果可知在對應(yīng)速度條件下活性破片累計(jì)毀傷面積分別是鋼破片的5.44倍、5.49倍、7.08倍、9倍，因此活性破片具有更大的毀傷效果。

圖7 不同速度下活性破片對多層靶的毀傷效果圖

表2 活性破片累計(jì)毀傷面積

表3 鋼破片累計(jì)毀傷面積

4.3 活性破片能量利用規(guī)律分析

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]，破片穿透靶板過程中沒有熱量損失的前提下，則破片穿透第一層靶板所需能量為2個(gè)過程之和：

E0=Ei+Ws

(5)

式中：Ei為慣性壓縮所消耗的能量，Ws為將塞塊剪切并推出靶板所做的功。假設(shè)活性破片在穿透第一層6 mm鋼板后就開始發(fā)生內(nèi)爆反應(yīng)，碎裂成細(xì)小的破片云對鋁靶板開始作用，因此第N層鋁板的毀傷效果可以看做是由活性破片內(nèi)爆釋放的能量造成，活性破片內(nèi)爆產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為對靶板損壞所做的功。那么活性破片對多層靶的毀傷所損耗的能量可由如下公式計(jì)算：

(6)

Wd=σb·(S2T2+S3T3+…SiTi)，(i≥2)

(7)

式中：Wd為對鋁靶毀傷所做的功之和，σb為靶板材料的失效應(yīng)力，Si為多層靶的毀傷面積，Ti為多層靶的厚度。因此根據(jù)式(7)可以計(jì)算出不同撞靶速度下，該活性破片用于多層靶擴(kuò)孔所損耗的能量如表4所示，將其擬合成曲線如圖8，隨著撞靶速度的增加，活性破片對多層靶毀傷的能量利用率逐漸增加，并且在1 300 m/s內(nèi)能量利用率的增速也是逐漸增大。

表4 活性破片能量利用率

圖8 活性破片在不同撞靶速度下的能量利用率曲線

4 結(jié)論

1) 隨著撞靶速度逐漸增加，該活性破片超壓從0.17 MPa逐漸增加到0.25 MPa；活性破片的能量釋放率也逐漸增加，從55%逐漸增加到77%，增加的速度逐漸變慢。

2) 隨著撞靶速度的增加，活性破片的累計(jì)毀傷面積從1 823 mm2逐漸增加到8 032 mm2，能量利用率從13.4%逐漸增加到50.3%，能量利用率增大速率也逐漸增加，在同等條件下與同質(zhì)量鋼破片相比活性破片有更明顯的毀傷優(yōu)勢。